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1、-微型计算机和微处理器的发展-第 5 页微型计算机和微处理器的发展本篇报告的目的讲述微型计算机和微处理器的发展史，以此来深化对计算机功能结构的认识，并进一步了解计算机工作的模式，在此基础上对未来的计算机发展做一个合理的推测和预期。其实微型计算机的发展和微处理器的发展其实是紧密结合，密不可分的，微型计算机的发展主要表现在其核心部件微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动微机系统的其他部件的一并发展，比如在微机体系结构上，存储器存取容量、存取速度上，以及外围设备都在不断改进，在此基础上新设备也在不断出现并推动微型计算机的进一步发展。第一篇微机的发展上根据微处理器的字长和功能，将微型
2、计算机的发展简单划分为以下几个阶段。 第一阶段： 概述：4位和8位低档微处理器（第1代） 基本特点：采用PMOS工艺，集成度低（4000个晶体管/片），指令系统:系统结构和指令系统简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目少，基本指令周期为2050s，用于简单的控制场合。 举例：Intel4004和Intel8008微处理器和分别由它们组成的MCS-4和MCS-8微机第二阶段：概述：8位中高档微处理器（第二代）特点：采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约1015倍指令系统：比较较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能软件方面：除汇编语言外，还有BASIC、FO
3、RTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期出现操作系统。 举例：Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80第三阶段：概述：16位微处理器（第三代）特点：用HMOS工艺，集成度（2000070000晶体管/片）和运算速度都比第2代提高了一个数量级指令系统：指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统产品举例：Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000第四阶段：概述：32位微处理器（第四代）产品举例：Intel公司的80386/80486，Moto
4、rola公司的M69030/68040基本特点：采用HMOS或CMOS工艺，集成度高达100万个晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线评价：微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业第五阶段：概述：奔腾系列微处理器（第5代）产品举例：Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6系列微处理器芯片特点：AMD与Intel分别推出来时钟频率达1GHz的Athlon和Pentium。00年11月，Intel又推出了Pentium4微处理器，集成度高达每片4200万个晶体管，主频为1.5GHz。2002年11月，Intel推出的Pentium4微处理器
5、的时钟频率达到3.06GHz新突破：MMX微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面跨上了更高的台阶第六阶段：概述：酷睿系列微处理器的时代（第六代）特点：“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比优势：酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域，它的推出提高了两个核心的内部数据交换效率采取共享式二级缓存设计，2个核心共享高达4MB的二级缓存。以上是对微型计算机发展的简要概述，下面对微处理器的发展史，以时间为依据，在对其参数性能方面分类并做一下详细介绍。第二篇微处理器也称为CPU，微处理
6、器的历史可追溯到1971年，当时INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。它是用于计算器的4位微处理器，含有2300个晶体管。下面以INTEL公司的80X86系列为例详细介绍一下微处理器的发展历程。1978和1979年，INTEL公司先后推出了8086和8088芯片，它们都是16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，可使用1MB内存。它们的内部数据总线都是16位，外部数据总线8088是8位，8086是16位。1981年，8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。1982年，Intel推出80286芯片，它比8086和8088都有
7、了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但在CPU的内部集成了13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286也是应用比较广泛的一块CPU。1985年，INTEL推出了80386芯片，它是80X86系列中的第一种32位微处理器，内含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz，25MHz，33MHz。其内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址4GB内存。1990年推出的80386SL和80386DL都是低功耗、节能型芯片，主要用于便携机和节能型台式机。1989年，I
8、NTEL推出了80486芯片，这种芯片实破了100万个晶体管的的界限，集成了120万个晶体管。其时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式，大大提高了与内存的数据交换速度。1990年推出了80486SX，它是486类型中的一种低价格机型，其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。80486DX2由系用了时钟倍频技术，其芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍。80486DX2的内部时钟
9、频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片，它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。INTEL公司于1993年又推出了80586其正式名称为PENTIUM 。PENTIUM 含有310万个晶体管，时钟频率最初为60MHZ和66MHZ，后提高到200MHZ。66MHZ的PENTIUM 微处理器的性能比33MHZ的80486DX提高了3倍多，而100MHZ的PENTIUM 则比33MHZ的80486DX快6至8倍。PENTIUM 引起的轰动尚未结束，INTEL公司又推出了新一代微处理器-P6。P6含有550万个晶体管，时钟频率为133MH
10、Z，处理速度几乎是100MHZ的PENTIUM 的2倍。P6的一级(片内)缓存为8KB指令和8KB数据。值得注意的是在P6的一个封装中除P6芯片外还包括有一个256KB的二级缓存芯片，两个芯片之间用高频宽的内部通讯总线互连。P6最引人注目的是具有一项称为动态执行的创新技术，这是继PENTIUM 在超标量体系结构上实现实破之后的又一次飞跃。1997年，在奔腾(P54C)和P6的基础上又有了新的发展，一块奔腾(P54C)，加上57条多媒体指令，就得到了多能奔腾(P55C)，相对P54C，P55C在以下几方面做了改进：(1)支持称为MMX多媒体扩展的新指令集，有57条新指令，用于高效地处理图形、视频
11、、音频数据；(2)内部Cache从16KB增加到32KB。(3)优化了CPU的执行核心。1998年7月，Intel推出了用于服务器和工作站的Pentium II至强器（Pentium IIXeon),它采用新的P6微处理器结构，0.25微米制造，最低主频400MHz,内部带有512K或1M二级高速缓存。Pentium II至强使用的是330线的SLOT2插槽，使L2高速缓存与CPU主频同步运行，系统性能有很大的提高，当然，体积也比SLOT1的Pentium II稍大。Pentium II赛扬是Intel在1998年4月针对低端市场发布的Pentium II级处理器，它采用了PII的内核，去掉了
12、PII处理器上的二级缓存，从而降低了成本,但同时也使其整数性能税减。Inter公司也意识到了这一点，在随后推出的300MHz和333MHz的赛扬中集成了128K二级高速缓存，虽然比Pentium II的512K少，但由于赛扬的128K二级缓存是与CPU同频运行的，所以性能几乎和同主频Pentium II持平.有时甚至比Pentium II还要好。而其价格非常超值，只不过是同频Pentium II的二分之一，。1999年1月5日，Intel推出了Socket370赛扬，它仍然使用了Slot1架构的赛扬内核，只不过,采用了新的PPGA封装，降低了生产成本。1999年2月26日，Intel正式发布了
13、Pentium III处理器，打响了1999年CPU大战的第一枪。Pentium III的内核和Pentium II大致一样，只有新增加了70条SSE（Streaming SIMD Extensions,单指令对数据流扩展）指令集，使CPU的浮点运算能力得到增强，提高了CPU对浮点运算密集型应用程序的执行效率。Pentium III推出不久，Intel推出了Pentium III至强处理器，频率有500MHz和550MHz两种，核心电压2.0V,使用Slot2插槽，L2级Cache内置于片内，有1M、2M或2M以上的版本。在微处理器的市场中，虽然Intel公司以其绝对的规模，生产能力和杰出的工
14、作设计成为业界领袖，但它的产品还是有隙可乘的，许多具有实力的公司正挤身微处理器这一市场，向Intel发出了强有力的挑战，AMD的K6-2、K6-III处理器，还有K7处理器，它们在某些方面的性能完全可以和Pentium 、Pentium III相媲美，使微处理器市场形成了一种错踪复杂的状态。2005年至今是酷睿（core）系列微处理器时代。“酷睿”是一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比。微处理器的出现是一次伟大的工业革命，从1971年到1999年，在短短四分之一世纪内，微处理器的发展日新月异，令人难以置信。目前的PENTIUM 比
15、1981年用于第一台PC机的8088要快300倍以上。可以说，人类的其它发明都没有微处理器发展得那么神速、影响那么深远。现代的微处理器已经达到了相当高的水平，芯片已经集成了十亿只晶体管，最高的时钟频率达5GHz最先进的微处理器使用了65nm CMOS技术。许多结构都通过采用多媒体指令扩充带来了巨大的性能提高随着应用需求和工艺技术的不断发展，单片集成电路的资源已达到现代微处理器无法用完的程度，在我看来以后CPU可能的发展趋势有以下三个方面：（1）减小晶体管体积所有的芯片都是由很多的晶体管组成的，在英特尔最新发布的Sandy Bridge中的处理器接近有十亿个晶体管组成其系统的内部构造，在芯片上晶
16、体管的数量越多，体积越小，就可以提升其自身的使用性能，但是目前的技术依然停留在32nm上，所以在以后要突破这个技术难关，创造出新的晶体管结构。（2）降低功耗英特尔在2013年推出一款新的3D晶体管技术，会在电脑和手机终端上进行优化和操作，但是由于英特尔Atom的处理器在使用的过程中会比ARM更加的费电，所以在很多的移动设备终端上不会使用Atom处理器，虽然ARM的CPU构造更加简单集成，在移动终端上能够减少功耗，但是随着CPU技术的不断进步，在新的晶体管内使用的Atom处理器中会减少最大负荷时释放的热量，提高系统的使用性能。（3）提升移动终端的使用性能在智能手机上已经推出了40nm的四个处理器，运行的速度非常的快。微软在发出WIN8的ARM构架处理器设计的同时，英伟达也发布了八核心的ARM处理器的生产计划，所以未来CPU的发展趋势不仅可以满足功耗低的功能要求，而且还能生产出ARM构架的超轻薄笔记本电脑，为用户带来高速的科技体验相信在不久的将来，CPU的新发展会赶超现在的发展水平，给我们带来飞一般的体验，在现代化的21世纪中期，CPU的发展将会是一道亮丽的风景线！